DE102009056356A1

DE102009056356A1 - Servolenkung

Info

Publication number: DE102009056356A1
Application number: DE200910056356
Authority: DE
Inventors: Horst Steinbinder; Alexander Zernickel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Servolenkung (1) für ein Fahrzeug mit einer axial gegenüber einem feststehenden Lenkgehäuse (4) verlagerbaren Schubstange (2) mit einem zwischen einer an dem Lenkgehäuse (4) verdrehbar gelagerten Lenkspindel (6) und der Schubstange (2) wirksamen Lenkgetriebe (5) und einem zwischen einem Elektromotor (13) und der Schubstange (2) wirksamen Kugelgewindetrieb (3) mit einer von dem Elektromotor (13) angetriebenen Spindelmutter (9) sowie zwischen Spindelmutter (9) und einem Getriebe (7) der Schubstange (2) abwälzenden Wälzkörpern (8). Um eine einfache Ausführung der Schubstange (2) und des diese verlagernden Antriebs zu ermöglichen, wird die Lenkspindel (6) mittels des Lenkgetriebes (5) direkt mit der Spindelmutter (9) des Kugelgewindetriebs (3) drehschlüssig verbunden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Servolenkung für ein Fahrzeug mit einer axial gegenüber einem feststehenden Lenkgehäuse verlagerbaren Schubstange mit einem zwischen einer an dem Lenkgehäuse verdrehbar gelagerten Lenkspindel und der Schubstange wirksamen Lenkgetriebe und einem zwischen einem Elektromotor und der Schubstange wirksamen Kugelgewindetrieb mit einer von dem Elektromotor angetriebenen Spindelmutter sowie zwischen Spindelmutter und Spindelgewinde abwälzenden Wälzkörpern.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsbildende Servolenkungen sind bekannt und unterstützen den Fahrer von Fahrzeugen bei der Lenkung des Fahrzeugs. Dabei wird eine Lenkabsicht des Fahrers mittels einer entsprechenden Sensorik erkannt und in einem Steuergerät zu einem Steuersignal zur Steuerung eines Elektromotors umgewandelt, der die Schubstange der Servolenkung, die über Radlenkhebel die lenkenden Räder mittels eines entsprechenden Lenkwinkels anlenkt, verstellt. Um das Fahrzeug auch bei nicht funktionsfähiger Servounterstützung lenken zu können, ist die mit dem Lenkrad verbundene Lenkspindel mittels eines Lenkgetriebes wirksam mit der Schubstange verbunden. Aus der DE 102007 047 827 A1 ist beispielsweise ein Lenkgetriebe bekannt, bei dem die Lenkspindel ein Lenkritzel aufweist, das mit einer an der Schubstange vorgesehenen Zahnstange kämmt. Derartige Schubstangen werden üblicherweise bei Servounterstützungen mittels eines Elektromotors durch einen Kugelgewindetrieb angetrieben, wie er beispielsweise aus der DE 103 10 492 A1 bekannt ist. Hierbei treibt eine von dem Elektromotor angetriebene Spindelmutter über in einem Innengewinde aufgenommene Wälzkörper, die zudem in einem Außengewinde wie Spindelgewinde der Schubstange abwälzen, die Schubstange an.
Infolgedessen weist die Schubstange einen Teil mit dem Spindelgewinde und einen Teil mit der Verzahnung für die Zahnstange auf. Die Fertigung einer derartigen Schubstange gestaltet sich daher aufwendig, da zum Einen das Spindelgetriebe und zum Anderen mittels separater Maschinen die Verzahnung, die gegebenenfalls zusätzlicher Härtungsschritte bedarf, hergestellt werden muss. Dieser Herstellungsprozess zeichnet sich durch eine lange Prozesskette und hohe Werkzeugkosten aus.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 102009038232.1 ist hierzu das separat zum Kugelgewindetrieb angeordnete Lenkgetriebe mit einem mit dem Gewinde der Schubstange für den Kugelgewindetrieb kämmenden Schneckenrad versehen, so dass lediglich ein Gewinde auf der Schubstange eingebracht werden muss und auf ein zusätzliches Einbringen einer Verzahnung verzichtet werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Es ergibt sich daher die Aufgabe, eine derartige Servolenkung mit einem Kugelgewindetrieb in vorteilhafter Weise weiterzubilden.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Servolenkung für ein Fahrzeug mit einer axial gegenüber einem feststehenden Lenkgehäuse verlagerbaren Schubstange mit einem zwischen einer an dem Lenkgehäuse verdrehbar gelagerten Lenkspindel und der Schubstange wirksamen Lenkgetriebe und einem zwischen einem Elektromotor und der Schubstange wirksamen Kugelgewindetrieb mit einer von dem Elektromotor angetriebenen Spindelmutter sowie zwischen Spindelmutter und einem Gewinde der Schubstange abwälzenden Wälzkörpern gelöst, wobei die Lenkspindel mittels des Lenkgetriebes direkt mit der Spindelmutter des Kugelgewindetriebs drehschlüssig verbunden ist.
Durch die Zusammenführung des Zugriffs der Lenkspindel und des Kugelgewindetriebs auf die Schubstange kann die axiale Länge des beispielsweise in die Schubstange einrollierten oder eingeschliffenen Gewindes verkürzt werden und die Toleranzkette zwischen dem Kugelgewindetrieb und dem Lenkgetriebe verkürzt werden, so dass die Unterstützung der über die Lenkspindel eingetragenen Bewegungen unmittelbar erfolgen kann. Im Weiteren wird der Zugriff auf die Schubstange auf einen Ort konzentriert, so dass die Servolenkung weniger zerklüftet und damit mit einer besseren Bauraumausnutzung und einer Gewichtsersparnis ausgebildet werden kann.
Dabei wirkt das mit dem Kugelgewindetrieb verbundene Lenkgetriebe direkt auf die Spindelmutter, so dass der Elektromotor in Form seines Rotors und die Lenkspindel mittels desselben Bauteils, nämlich der Spindelmutter, die Schubstange axial verlagern. Dadurch wirkt lediglich ein Antriebsteil für die Lenkspindel und den Elektromotor auf die Schubstange ein, wodurch Gangunterschiede des Kugelgewindetriebs und eines auf zusätzliche auf die Schubstange einwirkenden Lenkgetriebes vermieden werden. Im Weiteren wird die Lenkspindel über das Lenkgetriebe direkt und damit mechanisch drehschlüssig mit der Spindelmutter des Kugelgewindetriebs verbunden, so dass das Fahrzeug auch bei Ausfall des Elektromotors und damit des Servobetriebs mittels der Lenkspindel lenkbar bleibt. Das Lenkgetriebe wird dabei so ausgelegt, dass keine Selbsthemmung vorliegt.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das Lenkgetriebe als Planeten-Kegelradgetriebe ausgebildet. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dabei ein an der Lenkspindel angeordnetes Kegelrad vorgesehen, das mit einer Kegelverzahnung eines Planetenträgers kämmt, an dem mehrere über den Umfang angeordnete Planetenräder verdrehbar aufgenommen sind. Die Planetenräder kämmen dabei einerseits mit dem gehäusefest angeordneten Hohlrad, das beispielsweise in Form eines Zahnrings mit Innenverzahnung an dem Lenkgehäuse fest aufgenommen sein kann, und andererseits mit dem Sonnenrad, das an der Spindelmutter des Kugelgewindetriebs beispielsweise in Form eines Zahnkranzes mit Außenverzahnung fest angeordnet sein kann. Dabei stellt sich die Gesamtübersetzung des Lenkgetriebes einerseits abhängig von dem Zahnverhältnis zwischen den Kegelrädern und andererseits abhängig von dem Zahnverhältnis des Sonnenrads zum Hohlrad ein, so dass beispielsweise eine Übersetzung zwischen Lenkspindel und Spindelmutter und damit dem Rotor des Elektromotors bei günstigen Abmessungen des Lenkgehäuses zwischen 1:6 und 1:10, vorzugsweise zwischen 1:6,5 und 1:9,5 vorgegeben werden kann. Der Planetenträger wird dabei von dem Kegelrad, also der Lenkspindel bei einer Drehung des Lenkrads durch den Fahrer angetrieben. Damit werden die Planeten um die Drehachse des Planetenträgers verdreht und treiben unter Abstützung am Hohlrad das Sonnenrad und damit die Spindelmutter an. In vorteilhafter Weise wird die Lenkspindel auf ca. eineinhalb Umdrehungen ausgelegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des Kegelrad-Planetengetriebes kann die Lenkspindel im Gehäuse vorzugsweise rechtwinklig zu der Schubstange verdrehbar gelagert sein. Der Planetenträger kann verdrehbar auf einem axialen Ansatz der Spindelmutter und an dem Lenkgehäuse verdrehbar gelagert sein. Dabei kann der axiale Ansatz zugleich die Verzahnung oder den Zahnkranz für das Sonnenrad und einen Innenring für die Lagerung des Planetenträgers aufnehmen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann das Lenkgetriebe als Kegel-Stirnradgetriebe ausgestaltet sein. Hierzu ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Lenkspindel mittels eines Stirnradpaars mit einem Kegelrad verzahnt, das mittels einer Kegelradverzahnung mit der Spindelmutter drehschlüssig verbunden wie verzahnt ist. Dabei kann eine das Kegelrad und das mit dem an der Lenkspindel angeordneten Stirnrad kämmende Stirnrad aufnehmende Welle an dem Lenkgehäuse verdrehbar gelagert sein. Die Kegelräder, nämlich das an der Spindelmutter und das an der Welle angeordnete Kegelrad der Kegelverzahnung können Steigungen aufweisen, die sich in vorteilhafter Weise in einer Drehachse der Schubstange schneiden. Durch die Zahnverhältnisse der Stirnradpaare und der Kegelräder lassen sich selbst bei kompakt bauenden Lenkgehäusen in vorteilhafter Weise Übersetzungen des Lenkgetriebes zwischen 1:6 und 1:10, vorzugsweise zwischen 1:6,5 bis 1:9,5 einstellen. Hierdurch können beispielsweise bei ca. eineinhalb Umdrehungen der Lenkspindel in beide Drehrichtungen Spindelhübe des Kugelgewindetriebs von ca. 60 bis 70 mm und damit entsprechende Axialverlagerungen der Schubstange in beide Richtungen erzielt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Servoantrieb mit einem Lenkgetriebe in Form eines Kegelrad-Planetengetriebes und
2 einen Schnitt durch einen Servoantrieb mit einem Lenkgetriebe in Form eines Kegel-Stirnradgetriebes.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die Servolenkung 1 ausschnittsweise im Schnitt mit der axial verlagerbaren und gegen Verdrehung gesicherten Schubstange 2 und den in dem Lenkgehäuse 4 angeordneten Getrieben in Form des Lenkgetriebes 5 mit der das nicht gezeigte Lenkrad aufnehmenden Lenkspindel 6.
Die Schubstange 2 ist mit den nicht dargestellten Lenkhebeln der Federbeine eines Fahrzeugs verbunden und verdreht diese zur Lenkung des Fahrzeugs bei axialer Verlagerung. Sie weist einen Abschnitt eines beispielsweise rollierten oder geschliffenen Gewindes 7 auf, in dessen Gewindegängen die Wälzkörper 8 wie Kugeln des Kugelgewindetriebs 3 abwälzen. Um die Schubstange 2 ist die hülsenförmig ausgebildete Spindelmutter 9 angeordnet, die ein zum Gewinde 7 komplementäres Innengewinde 10 aufweist, an dem die Wälzkörper 8 abwälzen. Die Spindelmutter 9 ist gegenüber dem Lenkgehäuse 4 mittels des Wälzlagers 11, dessen Innenring 12 einteilig mit der Spindelmutter ausgebildet sein kann, axial fest und verdrehbar gelagert, so dass bei einem Drehantrieb dieser durch den Elektromotor 13, von dem lediglich der fest mit der Spindelmutter 9 verbundene Rotor 14 dargestellt ist, die Schubstange 2 axial abhängig von der Drehrichtung des Rotors 14 verlagert wird.
Das als Planeten-Kegelradgetriebe 15 ausgebildete Lenkgetriebe verbindet die Lenkspindel 6 drehschlüssig mit der Spindelmutter 9 und stellt eine vorgegebene Übersetzung zwischen diesen ein. Hierzu ist zur Wandlung des vom Fahrer über das Lenkrad auf die im Wesentlichen senkrecht oder im spitzen Winkel zur Schubstange 2 und damit zur Spindelmutter angeordneten und axial fest und verdrehbar in dem Lenkgehäuse 4 gelagerten Lenkspindel 6 aufgebrachten Drehmoments an der Lenkspindel das Kegelrad 16 fest angeordnet. Das Kegelrad 16 kämmt mit dem Kegelrad 17 des Planetenträgers 18 des Planetengetriebes 19.
Dabei wird der Planetenträger 18 bei einer Rotation der Lenkspindel 6 drehangetrieben und treibt die verdrehbar auf diesem aufgenommenen Planetenräder 20 an, die zwischen dem an dem Lenkgehäuse 4 fest angeordneten Hohlrad 21 und dem an der Spindelmutter – hier einteilig – angebrachten Sonnenrad 22 abwälzen. Eine erste Übersetzungsstufe der Lenkspindel 6 ins Schnelle kann dabei mittels unterschiedlicher Anzahl der Zähne der Kegelräder 16, 17 erfolgen. Die zweite Übersetzungsstufe wird durch das Verhältnis der Anzahl der Zähne des Hohlrads 21 und des Sonnenrads 22 eingestellt. Die endgültige Übersetzung zwischen Lenkspindel 6 zur Schubstange 2 wird anschließend durch eine Übersetzung ins Langsame mittels des Kugelgewindetriebs 3 umgekehrt.
Das Sonnenrad 22 ist an dem axialen Ansatz 23 der Spindelmutter 9 eingebracht, der hier zusätzlich eine axiale Erweiterung zur verdrehbaren Lagerung des Planetenträgers 18 mittels des Wälzlagers 24 aufweist. Auf der dem Wälzlager 24 gegenüber liegenden Seite ist der Planetenträger 18 mittels des Wälzlagers 25 gegenüber dem Lenkgehäuse 4 gelagert, so dass der axiale Ansatz 23 zusätzlich über den Planetenträger 18 gegenüber dem Lenkgehäuse 4 radial abgestützt ist.
Mittels eines nicht dargestellten Steuergeräts und der zugehörigen Sensoreinrichtungen wird die Lenkbewegung durch den Fahrer erfasst und der Elektromotor 13 bezüglich der erforderlichen Drehrichtung und des Drehwinkels beziehungsweise der erforderlichen Anzahl der lastabhängigen Umdrehungen des Rotors 14 zur Nachführung der Lenkbewegung gesteuert. Durch die Übersetzung des Lenkgetriebes 5 und des Kugelgewindetriebs 3 kann bei Ausfall des Elektromotors 13 das Fahrzeug mittels der Lenkspindel 6 und dem an dieser angeordneten Lenkrad mit vergleichsweise geringer Kraft gelenkt werden. Hierzu ist weder der Kugelgewindetrieb 3 noch das Lenkgetriebe 5 selbsthemmend ausgelegt.
2 zeigt ausschnittsweise die gegenüber der Servolenkung 1 der 1 bezüglich des Lenkgetriebes 5 veränderte Servolenkung 1a im Schnitt. Das Lenkgetriebe 5 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem Kegel-Stirnradgetriebe 15a gebildet. Bei dem Kegel-Stirnradgetriebe 15a ist die Lenkspindel 6 mit dem Stirnzahnrad 26 versehen. Das Stirnzahnrad 26 kämmt mit dem Stirnzahnrad 29, das zur Einstellung einer Übersetzung ins Schnelle eine geringere Zähnezahl als das Stirnzahnrad 26 aufweist und an der Welle 30 aufgenommen oder an dieser eingebracht ist. Die Welle 30 ist mittels der Wälzlager 27, 28 verdrehbar und axial fest im Lenkgehäuse 4a aufgenommen. Auf der Welle 30 ist weiterhin das Kegelrad 31 aufgenommen, das mit dem an der Spindelmutter 9a aufgenommenen Kegelrad 32 kämmt und dabei eine weitere zumindest geringfügige Übersetzung ins Schnelle einstellen kann. Die Steigungen der Kegelräder 31, 32 schneiden sich in der Drehachse 33 der Schubstange 2.
Bezugszeichenliste

1: Servolenkung
1a: Servolenkung
2: Schubstange
3: Kugelgewindetrieb
4: Lenkgehäuse
4a: Lenkgehäuse
5: Lenkgetriebe
6: Lenkspindel
7: Gewinde
8: Wälzkörper
9: Spindelmutter
9a: Spindelmutter
10: Innengewinde
11: Wälzlager
12: Innenring
13: Elektromotor
14: Rotor
15: Planeten-Kegelradgetriebe
15a: Kegel-Stirnradgetriebe
16: Kegelrad
17: Kegelrad
18: Planetenträger
19: Planetengetriebe
20: Planetenrad
21: Hohlrad
22: Sonnenrad
23: axialer Ansatz
24: Wälzlager
25: Wälzlager
26: Stirnzahnrad
27: Wälzlager
28: Wälzlager
29: Stirnzahnrad
30: Welle
31: Kegelrad
32: Kegelrad
33: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007047827 A1 [0002]
DE 10310492 A1 [0002]
DE 102009038232 [0004]

Claims

Servolenkung (1, 1a) für ein Fahrzeug mit einer axial gegenüber einem feststehenden Lenkgehäuse (4, 4a) verlagerbaren Schubstange (2) mit einem zwischen einer an dem Lenkgehäuse (4, 4a) verdrehbar gelagerten Lenkspindel (6) und der Schubstange (2) wirksamen Lenkgetriebe (5) und einem zwischen einem Elektromotor (13) und der Schubstange (2) wirksamen Kugelgewindetrieb (3) mit einer von dem Elektromotor (13) angetriebenen Spindelmutter (9, 9a) sowie zwischen Spindelmutter (9, 9a) und einem Gewinde (7) der Schubstange (2) abwälzenden Wälzkörpern (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (6) mittels des Lenkgetriebes (5) direkt mit der Spindelmutter (9, 9a) des Kugelgewindetriebs (3) drehschlüssig verbunden ist.
Servolenkung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (5) ein Planeten-Kegelradgetriebe (15) ist.
Servolenkung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Lenkspindel (6) angeordnetes Kegelrad (16) einen Planetenträger (18) mit gegenüber diesem verdrehbar aufgenommenen, über den Umfang verteilten Planetenrädern (20) antreibt, die mit einem gehäusefesten Hohlrad (21) und einem mit der Spindelmutter (9) fest verbundenen Sonnenrad (22) kämmen.
Servolenkung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (18) verdrehbar auf einem axialen Ansatz (23) der Spindelmutter (9) gelagert ist.
Servolenkung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (18) verdrehbar an dem Lenkgehäuse (4) gelagert ist.
Servolenkung (1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (5) ein Kegel-Stirnradgetriebe (15a) ist.
Servolenkung (1a) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (6) mittels eines Stirnradpaars mit einem Kegelrad (31) verzahnt ist, das mittels einer Kegelradverzahnung mit der Spindelmutter (9a) drehschlüssig verbunden ist.
Servolenkung (1a) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Kegelrad (31) und das mit dem an der Lenkspindel (6) angeordneten Stirnzahnrad (26) kämmende Stirnzahnrad (29) aufnehmende Welle (30) an dem Lenkgehäuse (4a) verdrehbar gelagert ist.
Servolenkung (1a) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Steigungen der Kegelräder (31, 32) der Kegelradverzahnung sich in einer Drehachse (33) der Schubstange (2) schneiden.
Servolenkung (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung des Lenkgetriebes (5) zwischen 1:6 und 1:10, vorzugsweise zwischen 1:6,5 bis 1:9,5 beträgt.